高层建筑基础埋置深度不足时的设计探讨

高层建筑基础埋置深度不足时的设计探讨

谢武宁

广州市住宅建筑设计院有限公司广东广州510623

摘要：本文结合高层实例，针对高层住宅不设地下室，基础埋深不满足规范要求时进行结构分析，验算结构在水平作用下的抗倾覆和抗剪能力，及采取相应的解决措施。

关键词：基础埋深高层建筑

《高层建筑混凝土结构技术规程》规定高层建筑宜设置地下室，是因为地下室及周边回填土能减缓地震作用，减少地震对上部结构的破坏作用。同时高层建筑最初是出现在城市，城市用地紧张，需充分利用地上与地下空间，故一般设置地下室，以满足停车、设备、人防等功能需求。随着我国城镇化程度越来越高，四五线城市的地产开发如火如荼。四五线城市土地资源丰富，地价便宜，开发商经常会为了节省造价，要求取消设置地下室，仅设地面停车场。另外，坡地建筑越来越多，坡地建筑依山而建，尽量少挖少填，也会出现半地下室或者是一面靠山三面临空等无地下室情况。取消地下室后，高层建筑的基础埋深根据地质情况可能很浅，难以达到规范要求的1/15或1/18建筑高度的深度。本文根据工程实例，从计算方面进行分析浅埋基础的受力状况，并从构造上进行加强，确保结构安全。

一、工程概况

本工程位于广东省阳江市沙扒镇月亮湾，主要场地拟建高层住宅7栋（34F）、别墅多栋（2-3F）、商铺（1-2F）、门廊（1F），三栋高层设有一层地下室用作设备房，另四栋高层无地下室。建筑层高2.9m，总高98.6m，纯剪力墙结构。场地所在地区抗震设防烈度为7度，场地基本地震动峰值加速度为0.10g，设计地震分组为第一组。场地类别划分II类，建筑场地属可进行建设的一般场地，场地设计地震特征周期值为0.35s。据国家标准《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2008的规定，结合本工程的具体情况，本工程建筑抗震设防类别划分为标准设防类（丙类）。地勘报告揭示场地土由上而下分别为素填土、粉质粘土、中砂、砂质粘性土、全~微风化花岗岩，本工程拟采用直径500壁厚100的AB型高强预应力管桩，单栋塔楼共布置293根桩。由于未设置地下室，承台面标高暂定地面以下1.5m，加上承台厚度2.0m，基础埋深为3.5m。建筑平面图及基础布置图详附图一、二。

图一图二

二、根据相关规范条文计算基础埋置深度

本工程采用预应力管桩基础，按高规12.1.8条，基础埋置深度不宜小于房屋高度的1/18，即5.5m。当地有规定，基坑开挖深度超过5m时，需进行基坑专项评审设计，耗时耗力。故建设方要求承台尽量浅埋，埋深不宜超过3.5m。按根据《高规》第12.1.8条的条文说明，当建筑物采用岩石地基或采取有效措施后，在满足承载力、变形、稳定及上部结构抗倾覆要求的前提下，基础埋置深度可适当放松。因此，本工程需对结构的抗倾覆补充计算，对桩基础补充抗剪计算。

三、塔楼的抗倾覆、抗剪计算

在多遇地震和风荷载作用下，结构的计算指标表3.1，其中最大位移角为1/1278、周期比为0.88、楼层抗剪承载力等指标均满足规范要求，说明结构性能良好，采用剪力墙结构是可行的。

表3.1

现补充大震作用下结构的抗倾覆和抗剪计算。其中抗倾覆验算，如下表3.2、表3.3所示，其中M抗/M震允许值为3（详《复杂高层建筑结构设计》（徐培福主编，2005年5月第二版），表2.1.2“基础底面零应力区与结构整体倾覆”）。其中抗剪验算，如下表3.4、表3.5所示。对于高宽比不大于4的高层建筑，基础底面应力区面积不应超过基础面积的15%，故抗倾覆符合要求，且不需要抗拔。多遇地震作用下，桩的总抗剪承载力满足要求，但罕遇地震作用下基础抗剪承载力不足，需另增加抗力。

表3.2X向地震抗倾覆力矩验算

根据《建筑地基基础设计规范》第8.5.7条，当作用于桩基上的水平推力较大时，宜设置斜桩。参照桥梁、港口的基础做法，利用斜桩的抗压承载力解决管桩自身抗剪承载力弱的缺点。本工程500直径管桩抗压承载力特征值Ra=2200kN，单桩水平承载力特征值根据《桩基规范》第5.7.2条第6点，地基土水平抗力系数的比例系数m值取5.0MN/m4，桩顶水平位移10mm，桩顶铰接，算得Rha=50kN，极限值按RhaE=2x50=100kN。由于承台较薄，按5.7.3条计算的群桩效应综合系数仅为1.05，故不考虑群桩效应。单桩竖向承载力极限值Rau=2x2200=4400kN，斜桩角度1：6，约10度，对应的抵抗水平剪力分量为：Raux=sin10*4400=764kN。

图三

同时考虑首层楼板与土层的摩擦作用，砼板与填土的摩擦系数取0.245，首层重量：10124kN，假设需设置x根斜桩，

则首层梁板抵抗的水平剪力+竖桩抵抗的水平剪力=10124x0.245+（293-x）*100

1、大震作用下X方向抗剪计算：

总水平剪力=（首层板抵抗的水平剪力+竖桩抵抗的水平剪力）+斜桩抗剪承载力

38838.11=10124x0.245+（293-x）*100+764*x解得x=11根

2、大震作用下Y方向计算：

总水平剪力=（首层板抵抗的水平剪力+竖桩抵抗的水平剪力）+斜桩抗剪承载力

40727.76=10124x0.245+（293-x）*100+764*x解得x=14根

设计时将承台边桩均按斜桩布置，详附图二，示意图详图三。

单桩水平承载力特征值暂按规范经验公式确定，正式施工前需按《建筑地基基础设计规范》附录S通过单桩水平载荷试验，确定实际承载力。

四、结语

本工程因建筑功能布置及业主对成本控制的要求，导致基础埋深不能满足规范的要求，故按规范要求补充了结构在多遇、常遇、罕遇地震作用下的倾覆计算分析，计算结果表明，结构能满足罕遇地震作用下的整体稳定性，同时桩并未出现抗拔力；同时按补充了基础在地震工况下的抗剪承载力计算，管桩自身的水平承载力特征值能满足多遇地震作用的要求；罕遇地震作用下，参照桥梁港口的基础做法设置斜桩，利用斜桩的抗压承载力抵抗水平承载力，取得较好的经济性。

参考文献：

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ94-2008建筑桩基技术规范[S]，中国建筑工业出版社

[2]施英单桩水平承载力的计算与实测[J].结构工程师，2014（06）：117-120

[3]徐培福复杂高层建筑结构设计[M]中国建筑工业出版社2005